【《基于51单片机的火灾预警系统设计》6000字（论文）】

基于51单片机的火灾预警系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u12843基于51单片机的火灾预警系统设计 116495第1章绪论 249381.1研究的背景和意义 288171.2报警器的发展进程 271121.3火灾的特点 316783第2章方案设计 3185022.1设计要求 39452.2备选方案 3316592.2.1控制器的选择 326202.2.2显示方案的选择 423424第3章硬件设计 439633.1方案设计 4246103.1.1基于单片机的火灾报警系统概论 4155113.1.2基于单片机的火灾报警系统框图 5162333.2最小电路系统模块 592303.2.1STC89C52单片机简介 5199043.2.2最小电路系统 5115173.3显示电路 642853.3.1液晶1602简介 6240073.3.2显示电路 6224583.4烟雾测验模块 7104573.4.1烟雾传感器 746133.4.2MQ-2烟雾传感器的工作原理 7134643.4.3MQ-2传感器的特点及特性 860333.4.4烟雾检验模块电路 881253.5温度控制传感器电路 9953.5.1DS18B20温度传感器简介 935093.5.2时序说明 9184173.5.3温度控制传感器DS18B20对应电路图 10252663.6火焰检测电路 1096013.6.1火焰检测传感器的特点 1017543.6.2火焰检测电路引脚简介 11281083.6.3火焰检测对应示意图 11191963.6.4火焰检测内部原理图 11302163.6.5火焰检测原理图 127653.7输入模块 12286733.8报警模块 13293743.8.1蜂鸣器报警电路 13155813.8.2LED 1362493.8.3报警模块电路 131338第4章软件设计 14309394.1编程语言及开发环境 1416404.2程序流程图设计 1482944.2.1总系统程序流程图 14221874.2.2液晶程序设计 156534.2.3模数转换程序设计 15165214.2.4温度传感器程序设计 1630881第5章系统调试 1654725.1器件的选择与测量 16241855.2元器件的焊接与组装 1666245.3电路的调试 1714185.3.1调试方案 177935.3.2调试步骤 17148995.3.3调试结果 1728992第6章结语 18第1章绪论1.1研究的背景和意义全球各种灾害频发，其中火灾对人类的威胁不可忽视。对人类的生产生活造成巨大打击，预防监控火灾刻不容缓。火灾预防监测工作已变得更加重要，人类不断地探索有效的预防监控火灾的方法。有效的监控系统和报警机制能够很大程度上减少伤亡的人员，且保护财产安全。该自动报警系统就是为了达到这一目的而设计，不断地发展，报警系统功能越来越完善。人类利用自动报警系统监测预防火灾，这种方法措施可以将对人类的伤害尽可能的降低。信号的检测、传输、处理、报警综合的系统。社会经济的突飞猛进，高楼大厦增多人口密度变大，火灾发生的可能性也就随之增大。烈火无情，残忍的火焰给人类生命财产带来巨大伤害。一个具有安全可靠、容量大、操作简单等优点的自动火灾报警控制迫切的被人类需要。我们准备设计可以实时监控、自动报警智能化的火灾检测报警系统。1.2报警器的发展进程由单一品种逐渐变为样式多样化的进程，从功能欠缺到现在功能强大报警器不断发展。可分为以下几个阶段：19世纪中期-20世纪中期，火灾报警系统还处于不成熟阶段。感温式的探测器应用的最为广泛，传感器测量实时温度，与设定值作比较，判断是否超出设定值，判断火灾能发生还是不能发生[]。仅凭温度一个参量来判断火灾，不太可靠。20世纪中期，感烟探测器迅速席卷市场。这使得感温探测器使用量减少；后来，光电式感烟探测器开始迅速发展，发展的速度十分的快[]。那个年代，火灾报警系统发展还不太完善。20世纪80年代晚期以后，因为总线型报警使得火灾报警器应用的更加广泛[]。那个时期，自动化发展有待提高，火灾报警器发展遇到的瓶颈是使用有线连接。目前主要具有代表性的是计算机技术的飞速发展，传感器技术的突飞猛进及智能技术日新月异等，使得火灾报警器的发展有质的变化。1.3火灾的特点

可燃物、助燃剂和达到着火点是火燃烧的三要素。现实生活中气态、液态和固态的可燃物的存在状态。氧气是最常见的助燃剂，着火先形成气溶胶，还会产生烟雾。着火后，发光发热产生火焰释放热量。火灾初期，还伴随有大量烟雾的产生，不过此时温度不高。此时探测器就可以探测并报警，降低火灾损失。在火灾开始不长时间时，伴随大量的热，用探测温度值，也可以减少火灾带来的损失。第2章方案设计2.1设计要求(1)使用C语言设计编写程序控制51单片机；

(2)设计硬件电路；

(3)掌握并实现火灾预警系统的设计。2.2备选方案2.2.1控制器的选择DSP：DSP有其优点，但是缺点也比较明显，例如价格高昂，电路复杂，可靠性偏低。

单片机：单片机的优点是集成度很高、划算、稳定性强、功耗低等从而大范围推广。单片机的优点显而易见，例如运算能力强，编程灵活，自身就有定时器、计数器，使用方便[]。综上所述，选用STC89C52单片机作为控制器。2.2.2显示方案的选择LED：LED的优点是性价比高，价格实惠，并且功能也还可以，能够显示数字。动态扫描法的优势是使用的端口少，在动态扫描中，74LS164移位寄存器应用的比较多[]。但是该芯片在此种情况下容易报错，所以综合考虑不选用LED。LCD液晶：液晶显示的优势较多，能够显示丰富多彩种类较多的内容，且显示的内容清晰可见，所以选择1602的液晶屏。第3章硬件设计3.1方案设计3.1.1基于单片机的火灾报警系统概论在本系统中对于可燃气体的检测，选用的是MQ-2烟雾采集传感器。由于单片机本身功能特点是它只能处理数字信号，对于传感器输出的模拟信号，单片机不能处理。这时需要将模拟信号转为数字信号，ADC0832是选择的模数转换芯片[]。温度采集我们选择使用DS18B20，显示设备该系统选择的是1602液晶，通过液晶显示屏显示三个信息。这三个信息是烟雾浓度值、温度值和报警值；报警部分，蜂鸣器和LED灯共同组成报警模块。三个待测量任一检测值超过设定值，蜂鸣器均可以鸣叫报警同时对应的LED灯也会闪烁；输入设备选的按键，调节设定值的大小；该系统使用5V电压给系统提供电能。3.1.2基于单片机的火灾报警系统框图3.2最小电路系统模块3.2.1STC89C52单片机简介概论单片机存储器的种类分别是程序只读存储器（ROM）和随机存取数据存储器(RAM)两种，从内存方面来讲只读存储器是8kbytes，随机存取数据存储器（RAM）是256bytes。另外，单片机比较强大，能够兼容MCS-51指令系统[]。STC89C52单片机是具有8位中央处理器的，处理速度相对较快。单片机STC89C52从硬件外部来看有40个引脚，从封装方面分别是PDIP,PLC及CPQFP/TQFP,可以更好的配合其他产品使用。3.2.2最小电路系统电路图如图3-2所示。晶振电路：对于该系统其晶振电路是由电容晶振组成，起振作用是用电容，选取的是24M的晶振。单片机复位电路：复位按钮可以复位，有效避免其他干扰。复位电路的组成包括电阻R4和电容C110uF，因为电容电压不能发生突变,所以高电平时，RESET脚接高电平。由电路的动态特性可以知道，RC和放电时间有关。由电路图可知，C1是10uF，R4是10k。经计算，电容充电耗时是0.1秒。供电部分：5V的电源即可。除了这3个部分之外，还有一些外部电路。图3-2单片机最小系统3.3显示电路3.3.1液晶1602简介该系统选择的是1602液晶。1602液晶的优点是轻重量、小体积、低功耗等，所以它已经取得广泛应用。1602液晶能够分两行共显示16个字符，还可以是汉字等信息[]。1602液晶是HD44780的控制器。如下图所示：图3-3液晶尺寸说明3.3.2显示电路显示电路图如图3-4所示。10K的可变电阻与其电路相连，显示屏幕的色彩对比度可通过调节该可变电阻进行控制。图3-4液晶模块连接图3.4烟雾测验模块3.4.1烟雾传感器烟雾式传感器，归根到底应该是一种气-电变换器。气-电转换器顾名思义将可燃性气体转化为一个电压或一个电流的信号，这种模拟信号须再经过模数转换芯片处理后传输给单片机进行处理[]。对烟雾传感器来说很重要，选择一款合适的烟雾传感器就更重要了。烟雾检测报警可以选择接触燃烧式或半导体烟雾传感器。接触燃烧式传感器具有的特点是阻缓和中毒，使用一段时间后因为阻塞催化物表面导致的灵敏度降低即为阻缓，催化原件发生化学变化使其灵敏度降低即为中毒。对传感器进行常规检查是需要的，一般使用两个月后可对传感器检测；半导体烟雾传感器：材料主要是两种半导体，分别为含硅氧化物半导体陶瓷材料和简单晶体的微型半导体材料。高灵敏度、响应迅速、结构简单、使用方便、价格便宜是半导体烟雾传感器的优势。综合看来，选择了两者中的半导体烟雾传感器。由于它并不存在发生探头阻缓和中毒缺陷，另外其优势也十分明显，本系统中选择的是烟雾传感器类型是MQ-2。3.4.2MQ-2烟雾传感器的工作原理烟雾传感器类型为MQ-2原理：原理是改变表面的电导率。有可燃烟雾时，电阻值下降。若无待测烟雾，电阻值不变。其外部特征如3-5所示。图3-5MQ-2型传感器的外观3.4.3MQ-2传感器的特点及特性MQ-2传感器的特点(a)对烷类烟雾敏感，灵敏度高。(b)可重复使用，且特性良好。(c)受外来干扰影响较小。(d)应用广泛。24V以下都可；加热电压5±0.2V。MQ-2型传感器基本特性灵敏度。烟雾的灵敏度用K表示，工作时，接触到烟雾，传感器的电阻值受烟雾浓度的影响，会随烟雾浓度变化。公式定义为K=RS/R0(2-1)，R0是正常情况下检测到的电阻值RS为变化后的值。即使对于不同的烟雾，K的取值也会有所不同。Log*RS=m*logC+n(2-2)，m就是该元件的敏感程性；C是被检测烟雾的含量。n与检测烟雾种类，使用的器件材料相关。(b) 初始状态下的稳定属性。烟雾传感器如果有一段时间不使用，重新再次使用，传感器不能马上工作。其原因主要是因为使用的材料会吸收空气里的水蒸气。(c)加热特性。3.4.4烟雾检验模块电路烟雾检测模块电路原理图如图3-6所示，传感器输出信号类型是模拟信号，需要进行A/D转化才能输入单片机进行处理。A/D转换器ADC0832采用串行接口工作，可以自由选择通道，能够进行操作处理的数据是8位。图3-6烟雾检测模块电路图3.5温度控制传感器电路3.5.1DS18B20温度传感器简介（1）概论温度传感器DS18B20具有很多优点，这些特殊的优点分别为低功耗，微型化，高性能，抗干扰和稳定性好等。DS18B20本身就是一种具有把温度的模拟量转换为数字量进行处理的功能，其中可测量的温度范围为-55至125摄氏度[]。图3-7DS18B20图（2）特有的性质它只需要一个管脚进行通信；ROM上拥有独特的64位序列号；信息采集方面具有多路采集能力；温度报警值设置可以自定义；兼容性较强。（3）温度传感器管脚定义引脚1：电源引脚；引脚2：数据输入/输出引脚；引脚3：接地；3.5.2时序说明温度传感器DS18B20与单总线协议间有严格要求，是为了保证数据完整性的需要。信号类型包括存在脉冲、复位脉冲、写0、写1、读0和读1均被包括于协议中，总线控制器比较特殊，全部控制信号均能够被发出[]。每次初始化的时侯，单片机会自觉的发出复位脉冲信号，其目的是改变总线状态，将总线状态变为接收[]。进行写时序：写时序包含写1和写0。写时序，数据线必须是高电平变为低电平。且最少持续60μs。要想进行写时序，每次写时序最少需要15μs，才能写时序并且释放总线。同理，每次至少保持60μs，才能结束写0操作。3-8读/写时序图当进行读时序操作时，数据会传给DS18B20温度传感器。如果接收读取到指令，就会开始进行读时序。读时序需要的时间也最少持续60μs。3.5.3温度控制传感器DS18B20对应电路图图3-9DS18B20模块连接图3.6火焰检测电路3.6.1火焰检测传感器的特点1、凡是波长在760nm-1100nm的光源，可以被检测模块检测出来；2、高灵敏度；3、灵敏度是可以调节的；4、由于是通过比较器输出，所以特性良好；5、体积较小，方便安装；图3-10火焰检测模块实物图3.6.2火焰检测电路引脚简介1、VCC电源正极2、GND接地3、DO连接单片机3.6.3火焰检测对应示意图图3-11火焰检测模块结构示意图3.6.4火焰检测内部原理图图3-12火焰检测模块内部原理图3.6.5火焰检测原理图图3-13火焰检测模块原理图3.7输入模块输入模块可以选择用独立键盘也可以选择用矩阵键盘。不同的选择对应不同的特点，其中独立键盘的优点是电路容易操作方便简单，且在编程控制方面上也简单，应用于简单电路中；矩阵键盘，比较复杂，但它最大的优点之一是能够节省端口资源，对于多个按键的电路来说比较适宜。在按键过以后会出现“毛刺”，矩阵键盘则可以起到消除毛刺的作用。使用最为广泛的是延时重复扫描的方法[]。消除毛刺的原理：把按键信号延时一段时间，目的是用来判断是不是有效的按键。由于该系统只有3个输入信号，输入简单，所以选择的输入模块是独立键盘。输入模块电路图如3-14所示：图3-14按键电路3.8报警模块检测且满足条件的情况下报警，所以对于烟雾和温度，当检测结果大于设定值时，或者检测到火焰时，均会启动报警系统，报警系统包括蜂鸣器和LED灯，达到声光报警的效果。3.8.1蜂鸣器报警电路蜂鸣器在日常生活中用途广泛。该系统选择的是S8550三极管。电路原理图如图3-15所示。图3-15蜂鸣器电路3.8.2LEDLED是一种常用的发光电子器件，内部电子与空穴结合，其会释放出能量，能量以光能形式发出，基于此原理可以用来制造发光二极管。LED是含有一个PN结组成，具有同其他二极管一样的单向导电性。由于不同的材料中电子和空穴复合时释放的能量不同，故发出光的颜色就不一样了。3.8.3报警模块电路如图3-16所示LED报警电路接线图，当单片机的I/O口为低电平时即可点亮LED灯。图3-16LED灯电路第4章软件设计4.1编程语言及开发环境C语言具有独特的特点和优势，更容易操作。又因其强大的可移植性，使得它被广泛应用。C语言应用广泛，不单单是应用于开发软件上还有各种科研。我们使用的是C语言编程控制的单片机。当使用C语言控制单片机，使用KeilC51的开发模拟环境能大大提到效率。4.2程序流程图设计4.2.1总系统程序流程图总系统的流程框图如图4-1所示。首先要进行设定值及相关信息的初始化，然后执行循环程序。在该循环程序，首先读取当下烟雾浓度，此数值与设定值进行比较，且同时对火焰进行检查，然后看是否需要设置阈值，然后可以开始循环。4.2.2液晶程序设计图4-2液晶显示流程图4.2.3模数转换程序设计图4-3模数转换流程图4.2.4温度传感器程序设计图4-4温度传感器程序流程图第5章系统调试5.1器件的选择与测量利用STC89C52单片机、24M晶振、火焰传感器、数模转换芯片、液晶显示器等是该系统选用的主要元器件。元器件可以在市场上买到，焊接时要格外小心。电容焊接时的正负极性三极管的三个引脚等细，应该先检查元器件是否正常。5.2元器件的焊接与组装注意事项如下。(1)首先保证所用元器件均合，将元器件测量一遍。(2)要注意方便布线和焊接。(3)特别注意正负极性的元件。(4)焊接过程种中连线尽可能简洁连线方便。(5)共地，方便检测。